Khoa học của nghệ thuật pha chế cà phê (Latte Art)

Latte Art là một phương pháp pha chế cà phê bằng cách khéo léo đổ sữa đã đánh bọt vào một tách espresso nóng. Mỗi tách cà phê sẽ có đủ các lớp sữa, bọt sữa, và cà phê xếp chồng lên nhau, tựa như một tác tác phẩm nghệ thuật được sắp đặt cầu kì. Thế nhưng, trong mỗi tác phẩm xinh xinh ấy không chỉ là nghệ thuật, mà còn chứa đựng cả một vũ trụ khoa học. Hôm nay, zeal sẽ cùng các bạn “khuếch tán” vào thế giới vật lý của nghề pha chế, để khám phá xem những tách cà phê ấy được thành hình như thế nào nhé.

Robert Brown là một nhà khoa học thực vật người Scotland. Năm 1827, trong lúc quan sát sự chuyển động của các hạt phấn hoa trong cốc nước, ông nhận thấy chúng liên tục lắc lư, chuyển động một cách ngẫu nhiên không ngừng, ngay cả khi cốc nước được giữ nguyên gần như tuyệt đối. Khám phá này là chuyển động Brown (Brownian motion), nay được áp dụng rộng rãi trong tài chính chứng khoán và nghiên cứu sinh hóa.

Gần 80 năm sau, Einstein, bằng việc sử dụng thuyết động học phân tử và xác suất thống kê, đã giải thích quan sát của Brown về sự "nhảy nhót" của các hạt phấn hoa. Theo ông, nguyên nhân là do sự va chạm đàn hồi của các phân tử nước chuyển động hỗn loạn không ngừng trong cốc (vốn rất nhỏ và không thể thấy) với hạt phấn hoa khiến cho chúng chuyển động. Biểu diễn trên đồ thị phân bố xác suất, những bước dịch chuyển này là hoàn toàn ngẫu nhiên (random walks), và tuân theo đường cong Gauss trong phân phối chuẩn.

Nếu bạn bị trầm trồ bởi khoảnh khắc lớp bọt sữa cuộn xoáy, ôm trọn lớp cà phê espresso, thì các nhà khoa học cũng vậy. Họ gọi quá trình này là khuếch tán (diffusion), khi mà các phân tử sữa dịch chuyển từ môi trường đồng hạt sang một môi trường mới, gồm toàn là các phân tử cà phê. Ở cùng một nhiệt độ, sữa có nồng độ (concentration gradient) cao hơn cà phê, nên các phân tử sữa sẽ chuyển động về môi trường cà phê có nồng độ thấp hơn. Dưới tác dụng nhiệt của sữa và cà phê nóng, những phân tử này càng hăng máu. Chúng sẽ chạy quanh hỗn độn và ngẫu nhiên, va chạm đàn hồi không ngừng, và dần dần hòa tan hai lớp sữa và cà phê với nhau. Nó tương tự như giải thích của Einstein về chuyển động Brown của phấn hoa trong cốc nước.

Dĩ nhiên còn một vài yếu tố khác ảnh hưởng đến việc hòa tan của sữa và cà phê. Trọng lực sẽ “kéo” lớp sữa nhanh chóng chìm sâu vào trong lòng lớp cà phê theo chiều thẳng đứng. Nhưng tính dính của chất lỏng sẽ ngăn cản sự chìm sâu này, và nhanh chóng tạo nên những vòng cuộn xoáy bật ngược trở lại. Sau một thời gian, khi hai lớp sữa và cà phê tưởng như đã hòa tan, thì thực ra chỉ có phân tử nằm ở lớp giữa hai môi trường này khuếch tán vào nhau. Sự đối lưu sẽ khiến phần sữa có nồng độ phân tử dày, nguội nhanh hơn chìm dần xuống đáy cốc, còn phần cà phê nóng, nồng độ thấp hơn nổi lên phía trên. Nếu cứ để cốc cà phê như vậy, những phân lớp rõ rệt này có thể kéo dài tới cả ngày trước khi chúng hòa tan hoàn toàn.

Quá trình hoà tan, cuộn tròn yêu thương của sữa và cà phê còn tuân theo một định luật vật lý khác: định luật hai nhiệt động lực học. Entropy, hay độ hỗn loạn của hệ sẽ tăng theo thời gian. Một tách cà phê latte là sự kết hợp của sữa và cà phê, tạo nên một hệ hỗn loạn hơn hai vật chất ban đầu. Hệ này sẽ còn hỗn loạn hơn nếu chúng ta thêm đường, hay sucrose, phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng và để các phân tử đường chạy khắp hệ. Suy rộng ra một chút, quá trình hòa tan của tách cà phê nhỏ bé cũng phù hợp với cách vũ trụ chúng ta đang vận hành: mọi dẫn truyền hoặc biến đổi năng lượng đều làm tăng entropy của vũ trụ, và vũ trụ sẽ ngày càng “hỗn loạn” hơn.